一種應(yīng)用于交直流不接地系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與開發(fā)

趙雪蓮¹  沈標(biāo)²  

（1.青海三佳工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，青海 810000）

（2.安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801）

摘  要: 介紹了一種用于工業(yè)不接地系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)裝置(IMD)，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種新的硬件平臺(tái)，可監(jiān)測(cè)400V等級(jí)的交直流不接地系統(tǒng)，并詳述了絕緣監(jiān)測(cè)儀的硬件和軟件設(shè)計(jì)原理。目前該絕緣監(jiān)測(cè)儀已通過試驗(yàn)驗(yàn)證，并在市場(chǎng)上大量銷售，為工業(yè)不接地配電系統(tǒng)提供了可靠的絕緣監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞: 交直流不接地系統(tǒng)  絕緣監(jiān)測(cè)裝置  自適應(yīng)  IMD

0.前言

    在一些對(duì)供電連續(xù)性要求較高的場(chǎng)所（如：礦井、化工廠、玻璃廠、冶金廠、某些集會(huì)場(chǎng)所的安全照明和某些電爐的試驗(yàn)設(shè)備等），設(shè)備故障斷電會(huì)帶來巨大的損失，因此采用不接地系統(tǒng)可以有效減少斷電發(fā)生的頻率，這是由于在不接地系統(tǒng)*次出現(xiàn)接地故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)使用，不會(huì)出現(xiàn)斷電的狀況，如果*次接地故障是人為導(dǎo)致，則對(duì)人體基本沒有太大的傷害，但此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)存在安全隱患，如果不及時(shí)排除故障，當(dāng)再次出現(xiàn)異相接地故障時(shí)，系統(tǒng)就有可能斷電，從而造成嚴(yán)重后果。安裝絕緣監(jiān)測(cè)裝置，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻，在系統(tǒng)*次出現(xiàn)絕緣故障時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，及時(shí)提醒維修人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障排查，短時(shí)間內(nèi)無需跳閘，從而保證了IT系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性^[1]。JGJ 16-2008《民用建筑電器設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.2.3條規(guī)定， IT配電系統(tǒng)必須配備絕緣監(jiān)視儀^[2]。國(guó)外對(duì)此也很重視，在上世紀(jì)六十年代，各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始對(duì)電力系統(tǒng)的研究，但是其快速發(fā)展是在上世紀(jì)七十至八十年代。這十年間，數(shù)字電路的集成、計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展、各類傳感器的出現(xiàn)推動(dòng)了電子測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)一些廠家愈發(fā)重視對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的研究，主流的測(cè)量方式有直流信號(hào)注入法、交流信號(hào)注入法、平衡橋測(cè)量法等等。以上測(cè)量方式有各自的優(yōu)勢(shì)，但由于應(yīng)用場(chǎng)所環(huán)境的差別（泄露電容、直流信號(hào)的存在等等）較大，可能存在著測(cè)量范圍較窄、測(cè)量精度不高、系統(tǒng)中允許泄露電容較低、測(cè)量周期長(zhǎng)、只能用于交流系統(tǒng)等缺點(diǎn)。本文提出一種新型絕緣監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)原理，該裝置采用自適應(yīng)系統(tǒng)頻率的方法，有絕緣電阻測(cè)量范圍廣，允許系統(tǒng)泄露電容大，響應(yīng)快，測(cè)量周期短等優(yōu)勢(shì)。

1.絕緣監(jiān)測(cè)裝置原理概述  

圖1所示為測(cè)量電路簡(jiǎn)圖：

 圖1：絕緣監(jiān)測(cè)裝置原理簡(jiǎn)圖

    圖1中R1和R3是阻值相等的耦合電阻，R2和R4是阻值相等的采樣電阻，Rf是系統(tǒng)對(duì)地電阻，Ce為系統(tǒng)泄露電容，G為信號(hào)發(fā)生器。電源端的帶電導(dǎo)體不接地，只作設(shè)備外殼的保護(hù)接地。絕緣監(jiān)測(cè)儀通過G向系統(tǒng)注入+20V和-20V脈沖信號(hào)，經(jīng)過R1、R2 、R3 、R4返回到絕緣監(jiān)測(cè)儀，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，對(duì)R2和R4電壓進(jìn)行信號(hào)處理、采集，即可算出系統(tǒng)對(duì)地電阻和系統(tǒng)泄露電容。

2.硬件設(shè)計(jì)

    本裝置硬件電路主要包括中央處理器模塊、斷線監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)注入模塊等。中央處理器選用ARM cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)，該芯片主頻高，外設(shè)豐富，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。

下面對(duì)硬件電路進(jìn)行討論：

    2.1 信號(hào)控制電路

    CPU通過控制模擬開關(guān)決定信號(hào)的輸出。其中+2.5號(hào)來源于基準(zhǔn)芯片，-2.5v經(jīng)+2.5v進(jìn)行反相后得到，隨后進(jìn)入信號(hào)發(fā)生電路。

    2.2 信號(hào)發(fā)生電路

    信號(hào)控制電路中所述的+2.5v或-2.5號(hào)經(jīng)過高壓運(yùn)放放大后產(chǎn)生+20v或-20v脈沖信號(hào)，即為注入不接地系統(tǒng)的信號(hào)。

    2.3 信號(hào)檢測(cè)電路

    信號(hào)發(fā)生電路中的±20號(hào)通過圖1中耦合電阻和系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻后構(gòu)成回路，通過檢測(cè)兩個(gè)采樣電阻的信號(hào)來計(jì)算系統(tǒng)絕緣電阻；通過檢測(cè)PE上的信號(hào)電壓，判斷PE/KE是否斷線；在裝置運(yùn)行過程中，對(duì)系統(tǒng)類型進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)系統(tǒng)是否存在直流分量選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法。

    2.3.1 交流系統(tǒng)或離線狀態(tài)

    信號(hào)從采樣電阻流經(jīng)截止頻率小于10Hz的低通濾波電路。當(dāng)系統(tǒng)是交流系統(tǒng)或處于離線狀態(tài)時(shí)，由于存在的干擾信號(hào)主要來源于不接地系統(tǒng)的50Hz信號(hào)，而該頻率遠(yuǎn)大于該濾波器的截止頻率（小于10Hz）,則干擾信號(hào)將會(huì)衰減到可忽略的幅度，而后通過信號(hào)處理電路分別對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行相加、放大、抬升，zui終被單片機(jī)ADC采樣。

    濾波效果可參考仿真結(jié)果。本電路在PSPICE中進(jìn)行仿真，在L1和L2之間加300V（頻率50Hz）電壓（模擬不接地系統(tǒng)），信號(hào)經(jīng)過四階低通濾波電路前后的效果對(duì)比如圖2所示。圖2中波形是注入的±20v與300v系統(tǒng)電壓疊加后的結(jié)果，可以看出，300v電壓對(duì)采樣電阻上的信號(hào)電壓影響很大。參照?qǐng)D2的下圖可知，經(jīng)過低通濾波電路以后，300v（頻率50Hz）的信號(hào)衰減到可以忽略的幅度。

 圖2. 濾波前后信號(hào)對(duì)比

    圖2中兩段信號(hào)分別是+20V和-20V交叉變換的結(jié)果，由于系統(tǒng)存在泄露電容，波形呈現(xiàn)一個(gè)緩慢充放電的曲線，這個(gè)過程也是采樣電阻分壓趨于穩(wěn)定的過程。而分壓電阻上的zui終電壓只跟系統(tǒng)電壓和其所占比例有關(guān)，跟電容無關(guān)，故電阻的測(cè)量與波形正負(fù)半周穩(wěn)定后的電壓有關(guān)，下面簡(jiǎn)要陳述計(jì)算過程：

圖3. 兩路信號(hào)合成

    設(shè)圖3中“ADC_R”（采樣電壓）穩(wěn)定后電壓是V1，此時(shí)的“VOUTF”處電V2，“VOUT1”和“VOUT2”電壓V3，則在+20v時(shí)，有：

①

    V1和V2（抬升電壓）已知，可以求出V3。設(shè)采樣電阻電壓為V4，由于從V4到V3只有低通濾波電路和一個(gè)信號(hào)抬升電壓V6，低通濾波電路對(duì)信號(hào)幅度影響很小，則：

②

    V4也是圖1中R2和R4的分壓，設(shè)電源電壓V5，則：

③

聯(lián)立①、②、③式，即可求出絕緣電阻Rf。

    電容的計(jì)算則依賴于電阻的大小和波形的曲線。假設(shè)電壓在關(guān)于時(shí)間t的波形上存在兩個(gè)點(diǎn)M1和M2，對(duì)應(yīng)的坐 標(biāo)是（V1，t1），（V2，t2）根據(jù)電容充電公式：

對(duì)應(yīng)M1和M2：

處理后有：

在實(shí)際計(jì)算的過程中，可以多次取點(diǎn)計(jì)算，求平均值，提高測(cè)量精度。

在-20v時(shí)，絕緣電阻Rf和泄露電容計(jì)算方式與此類似。

    2.3.2系統(tǒng)存在直流分量

    當(dāng)系統(tǒng)存在直流分量時(shí)，仍然需要四階濾波電路濾除系統(tǒng)交流信號(hào)（此時(shí)直流信號(hào)仍然存在），之后經(jīng)過一個(gè)如圖4所示的信號(hào)保持電路：

 圖4. 信號(hào)保持電路

    輸入信號(hào)分為正、負(fù)半周信號(hào)，但兩者均含有系統(tǒng)中的直流分量，通過開關(guān)的斷開與閉合，可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)半周信號(hào)相減，由于系統(tǒng)的直流電壓幅度變化很小，相減后的信號(hào)中不再含有直流分量，此時(shí)的采樣信號(hào)中只是±20V電壓作用在采樣電阻的結(jié)果，zui后信號(hào)經(jīng)過放大，進(jìn)入單片機(jī)ADC采樣模塊。進(jìn)入ADC采樣的波形可以參照PSPICE仿真結(jié)果如圖5：

圖5. 兩路獨(dú)立信號(hào)波形

    無論是在﹢20v，還是-20v，系統(tǒng)都能獨(dú)立監(jiān)測(cè)絕緣狀況，如此，測(cè)量周期至少比固定周期產(chǎn)品測(cè)量周期小一半。直流系統(tǒng)中電阻的計(jì)算同交流系統(tǒng)所述一樣，電阻的大小取決于波形穩(wěn)定后的電壓值，電容的計(jì)算仍然依賴于電阻，計(jì)算方法類似于通過ADC采樣信號(hào)可以反推出在+20V和-20V時(shí)圖1中R2和R4的分壓，即可求出絕緣電阻值與泄露電容值。

    2.4 儀表其它電路

    除了上述電路外，還有斷線檢測(cè)電路（PE/KE斷線、L1/L2斷線檢測(cè)功能）、485通訊電路、其他通訊電路等等。

3.軟件設(shè)計(jì)

    3.1 軟件流程

    該絕緣監(jiān)測(cè)裝置采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫。主函數(shù)通過查詢標(biāo)志位的狀態(tài)，決定是否執(zhí)行對(duì)應(yīng)的模塊，各個(gè)模塊的標(biāo)志位在定時(shí)器內(nèi)改變。這種方式提高了軟件的實(shí)時(shí)性，后期的軟件維護(hù)相對(duì)來說也比較方便。

    3.2 自適應(yīng)頻率

    目前市場(chǎng)上同行產(chǎn)品多數(shù)采用向系統(tǒng)注入固定周期信號(hào)的方法，這種方式必須考慮系統(tǒng)zui大電阻及電容，測(cè)量周期必須滿足zui大電阻和zui大電容的要求，因此這時(shí)的周期也是zui長(zhǎng)的，且不能改變。自適應(yīng)頻率是一種新型的周期調(diào)節(jié)的方式，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)波形來調(diào)整周期大小。在信號(hào)波形上取兩個(gè)點(diǎn)的電壓信號(hào)，當(dāng)信號(hào)電壓變化很小時(shí)，視為穩(wěn)定，這時(shí)翻轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)，并保存該周期運(yùn)行的時(shí)間作為下一次脈沖的周期。由于在正負(fù)半周都會(huì)對(duì)波形監(jiān)測(cè)和計(jì)算，所以信號(hào)波形的調(diào)整會(huì)很及時(shí)，電阻的計(jì)算結(jié)果更新的相對(duì)也比較快。此外，一旦電阻和電容測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算理論周期，并與實(shí)際測(cè)量周期作對(duì)比，然后把理論測(cè)量周期賦值給下一次脈沖周期。該方式保證了在測(cè)量結(jié)果精度達(dá)標(biāo)的前提下，測(cè)量周期能夠達(dá)到zui短。

    3.3 響應(yīng)時(shí)間

    IEC61557-8第8部分“IT系統(tǒng)中絕緣監(jiān)控裝置”中第4.6表1規(guī)定，在純交流系統(tǒng)中，當(dāng)泄漏電容1uF、絕緣電阻為0.5倍報(bào)警值時(shí)，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于10s。在測(cè)量精度達(dá)標(biāo)的前提下，本裝置響應(yīng)速度能小于6s。下面就電阻突變對(duì)波形的影響作簡(jiǎn)要分析，祥見圖6：

 圖6. 故障模擬波形圖

實(shí)線：波形一   虛線：波形二

    t1之前系統(tǒng)周期已經(jīng)穩(wěn)定，假設(shè)在t1時(shí)刻（電壓V1）電阻突然減小到報(bào)警值以下，波形發(fā)生變化，當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣時(shí)刻t2時(shí)，測(cè)得此時(shí)電壓V2,CPU判斷兩者之差大于設(shè)定的值，下半周周期加倍，變?yōu)?T（之前為T），由于電容很小，系統(tǒng)會(huì)在2T時(shí)間運(yùn)行結(jié)束之前提前穩(wěn)定。雖然系統(tǒng)會(huì)在周期完成之前提前結(jié)束，但響應(yīng)時(shí)間會(huì)增大，如果取一個(gè)完整的正負(fù)周期的信號(hào)作報(bào)警響應(yīng)的依據(jù)，則大大增加了響應(yīng)時(shí)間。為了解決這個(gè)問題，系統(tǒng)在半周結(jié)束之后計(jì)算電阻值（獨(dú)立信號(hào)），如果該電阻值小于設(shè)定的報(bào)警值，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，響應(yīng)值即為圖6中的t2~t1，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，響應(yīng)時(shí)間基本維持在5s以內(nèi)，zui長(zhǎng)不超過6秒。

    3.4 軟件其它描述

    軟件校準(zhǔn)采用線性分段式校準(zhǔn)法，共8個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，保證了儀表的精度；為了濾除信號(hào)中的噪聲干擾，數(shù)字濾波依次采用冒泡法（對(duì)數(shù)據(jù)排序）、中位值濾波法、平均值濾波法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保證了信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性。

4.試驗(yàn)結(jié)果

    該產(chǎn)品已通過許昌開普檢驗(yàn)中心的的型式試驗(yàn)，功能和性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該儀表在電阻1K-5M、電容0-150uF的條件下，顯示值與實(shí)際值的比值均保持在10%以內(nèi)，測(cè)量精度達(dá)標(biāo)，能滿足各種環(huán)境中不接地系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)的需求。

5.結(jié)語(yǔ)

    本文介紹了一種新型絕緣監(jiān)測(cè)裝置，與市場(chǎng)絕緣監(jiān)測(cè)儀表相比，其優(yōu)勢(shì)在于可監(jiān)測(cè)直流不接地系統(tǒng)、允許系統(tǒng)泄露電容大、測(cè)量周期短、響應(yīng)時(shí)間短等。經(jīng)過試驗(yàn)，本文介紹的絕緣監(jiān)測(cè)裝置在交流、直流不接地系統(tǒng)均可可靠工作，可以為不接地系統(tǒng)提供一種可靠的監(jiān)測(cè)。

　文章來源：《智能建筑電氣技術(shù)》2016年3期。

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